היום ננסה למצוא את התשובה לשאלה "העברת חום היא?…". במאמר נשקול מהו התהליך, אילו סוגים שלו קיימים בטבע, וכן נברר מה הקשר בין העברת חום לתרמודינמיקה.
הגדרה
העברת חום היא תהליך פיזיקלי, שמהותו היא העברת אנרגיה תרמית. ההחלפה מתרחשת בין שני גופים או המערכת שלהם. במקרה זה, תנאי מוקדם יהיה העברת חום מגופים מחוממים יותר לגופים פחות מחוממים.
תכונות תהליך
העברת חום היא אותו סוג של תופעה שיכולה להתרחש גם במגע ישיר וגם במחיצות מפרידות. במקרה הראשון, הכל ברור; במקרה השני, גופים, חומרים ומדיה יכולים לשמש מחסומים. העברת חום תתרחש במקרים בהם מערכת המורכבת משני גופים או יותר אינה במצב של שיווי משקל תרמי. כלומר, לאחד מהעצמים יש טמפרטורה גבוהה או נמוכה יותר בהשוואה לשני. כאן מתבצעת העברת אנרגיית החום. הגיוני להניח שזה יסתיים מתיכאשר המערכת מגיעה למצב של שיווי משקל תרמודינמי או תרמי. התהליך מתרחש באופן ספונטני, כפי שהחוק השני של התרמודינמיקה יכול לומר לנו.
צפיות
העברת חום היא תהליך שניתן לחלק לשלוש דרכים. יהיה להם אופי בסיסי, שכן בתוכם ניתן להבחין בתתי קטגוריות אמיתיות, בעלות תכונות אופייניות משלהן יחד עם דפוסים כלליים. עד היום נהוג להבחין בשלושה סוגי העברת חום. אלה הם הולכה, הסעה וקרינה. נתחיל עם הראשון, אולי.
שיטות להעברת חום. מוליכות תרמית
זהו שם התכונה של גוף חומרי לביצוע העברת אנרגיה. במקביל, הוא מועבר מהחלק החם יותר לקר יותר. תופעה זו מבוססת על עקרון התנועה הכאוטית של מולקולות. זוהי מה שנקרא תנועה בראונית. ככל שהטמפרטורה של הגוף גבוהה יותר, כך המולקולות נעות בו בצורה פעילה יותר, שכן יש להן יותר אנרגיה קינטית. אלקטרונים, מולקולות, אטומים משתתפים בתהליך הולכת חום. זה מתבצע בגופים, שלחלקים שונים שלהם טמפרטורות שונות.
אם חומר מסוגל להוביל חום, נוכל לדבר על נוכחות של מאפיין כמותי. במקרה זה, תפקידו מבוצע על ידי מקדם המוליכות התרמית. מאפיין זה מראה כמה חום יעבור דרך מחווני יחידות של אורך ושטח ליחידת זמן. במקרה זה, טמפרטורת הגוף תשתנה בדיוק ב-1 K.
בעבר האמינו שחילופי חום בגופים שונים (כולל העברת חום של מבנים סגורים) נובע מהעובדה שהקלורית כביכול זורמת מחלק אחד של הגוף לאחר. עם זאת, איש לא מצא סימנים לקיומו בפועל, וכאשר התיאוריה המולקולרית-קינטית התפתחה לרמה מסוימת, כולם שכחו לחשוב על קלוריות, מאחר שההשערה התבררה כבלתי נסבלת.
הסעה. העברת חום מים
שיטה זו של חילופי אנרגיית חום מובנת כהעברה באמצעות זרימות פנימיות. בואו נדמיין קומקום עם מים. כידוע, זרמי אוויר חמים יותר עולים למעלה. וקרים וכבדים יותר שוקעים למטה. אז למה המים צריכים להיות שונים? אצלה זה בדיוק אותו דבר. ובתהליך של מחזור כזה, כל שכבות המים, לא משנה כמה יש, יתחממו עד שיתרחש מצב של שיווי משקל תרמי. בתנאים מסוימים, כמובן.
Radiation
שיטה זו מבוססת על העיקרון של קרינה אלקטרומגנטית. זה מגיע מאנרגיה פנימית. לא ניכנס הרבה לתיאוריה של קרינה תרמית, פשוט נציין שהסיבה כאן נעוצה בסידור של חלקיקים טעונים, אטומים ומולקולות.
בעיות הולכת חום פשוטות
עכשיו בואו נדבר על איך נראה החישוב של העברת חום בפועל. בואו נפתור בעיה פשוטה הקשורה לכמות החום. נניח שיש לנו מסה של מים שווה לחצי קילוגרם. טמפרטורת מים ראשונית - 0 מעלותצלזיוס, סופי - 100. בואו נמצא את כמות החום שהושקעו על ידינו כדי לחמם את מסת החומר הזו.
בשביל זה אנחנו צריכים את הנוסחה Q=cm(t2-t1), כאשר Q היא כמות החום, c היא קיבולת החום הסגולית של מים, m היא מסת החומר, t1 היא הטמפרטורה ההתחלתית, t2 היא הטמפרטורה הסופית. עבור מים, הערך של c הוא טבלאי. קיבולת החום הספציפית תהיה שווה ל-4200 J / kgC. כעת אנו מחליפים את הערכים הללו בנוסחה. נקבל שכמות החום תהיה שווה ל-210000 J, או 210 קילו-ג'יי.
החוק הראשון של התרמודינמיקה
תרמודינמיקה והעברת חום קשורים זה בזה על ידי כמה חוקים. הם מבוססים על הידיעה שניתן להשיג שינויים באנרגיה הפנימית בתוך מערכת בשתי דרכים. הראשון הוא עבודה מכנית. השני הוא תקשורת של כמות מסוימת של חום. אגב, החוק הראשון של התרמודינמיקה מבוסס על העיקרון הזה. הנה הניסוח שלו: אם כמות מסוימת של חום הועברה למערכת, הוא יושקע על ביצוע עבודה על גופים חיצוניים או על הגדלת האנרגיה הפנימית שלה. סימון מתמטי: dQ=dU + dA.
יתרונות או חסרונות?
ניתן לכתוב את כל הכמויות הנכללות בסימון המתמטי של החוק הראשון של התרמודינמיקה הן בסימן "פלוס" והן בסימן "מינוס". יתרה מכך, בחירתם תוכתב על ידי תנאי התהליך. נניח שהמערכת מקבלת כמות מסוימת של חום. במקרה זה, הגופים בו מתחממים. לכן יש התרחבות של הגז, כלומרמתבצעת עבודה. כתוצאה מכך, הערכים יהיו חיוביים. אם נלקחת כמות החום, הגז מתקרר, ועובדים עליו. הערכים יהיו הפוכים.
ניסוח חלופי של החוק הראשון של התרמודינמיקה
נניח שיש לנו איזה מנוע לסירוגין. בו הגוף (או המערכת) העובד מבצע תהליך מעגלי. זה נקרא בדרך כלל מחזור. כתוצאה מכך, המערכת תחזור למצבה המקורי. יהיה הגיוני להניח שבמקרה זה השינוי באנרגיה הפנימית יהיה שווה לאפס. מסתבר שכמות החום תהיה שווה לעבודה שנעשתה. הוראות אלו מאפשרות לנו לנסח את החוק הראשון של התרמודינמיקה בצורה שונה.
ממנו אנו יכולים להבין שמכונת תנועה מתמדת מהסוג הראשון לא יכולה להתקיים בטבע. כלומר, מכשיר שאכן עובד בכמות גדולה יותר בהשוואה לאנרגיה המתקבלת מבחוץ. במקרה זה, יש לבצע פעולות מעת לעת.
החוק הראשון של התרמודינמיקה לאיזו-תהליכים
בוא נתחיל בתהליך האיזוכורי. זה שומר על עוצמת הקול קבוע. המשמעות היא שהשינוי בנפח יהיה אפס. לכן גם העבודה תהיה שווה לאפס. הבה נזרוק את המונח הזה מהחוק הראשון של התרמודינמיקה, שלאחריו נקבל את הנוסחה dQ=dU. המשמעות היא שבתהליך איזוכורי, כל החום המסופק למערכת הולך להגברת האנרגיה הפנימית של הגז או התערובת.
עכשיו בואו נדבר על התהליך האיזוברי. הלחץ נשאר קבוע.במקרה זה, האנרגיה הפנימית תשתנה במקביל לעבודה. הנה הנוסחה המקורית: dQ=dU + pdV. אנחנו יכולים בקלות לחשב את העבודה שנעשתה. הוא יהיה שווה לביטוי uR(T2-T1). אגב, זו המשמעות הפיזית של קבוע הגז האוניברסלי. בנוכחות שומה אחת של גז והפרש טמפרטורה של קלווין אחד, קבוע הגז האוניברסלי יהיה שווה לעבודה הנעשית בתהליך איזוברי.
